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面向汽車控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)研究碩士學(xué)位論文-文庫吧資料

2025-07-04 22:08本頁面
  

【正文】 體,系統(tǒng)的維護和更新是通過定制和替換這些部件來實現(xiàn)的。雖然組件技術(shù)已經(jīng)在不同的要求和領(lǐng)域中得到發(fā)展,但是很少有針對以安全為具體要求的嵌入式實時系統(tǒng)的組件技術(shù)。因此,采用軟件開發(fā)模式提高軟件開發(fā)效率變得重要。從歷史上看,這種系統(tǒng)的發(fā)展只使用低級編程語言,以保證對系統(tǒng)性能的充分控制。 小結(jié)本章首先介紹了汽車控制系統(tǒng)的特點,汽車控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理的特性進行了詳細分析,然后著重闡述了AUTOSAR標準,介紹了AUTOSAR標準軟件構(gòu)架,AUTOSAR方法和標準接口,說明AUTOSAR標準在汽車電子軟件開發(fā)中的重要性。 (3)“Command”的數(shù)據(jù)類型為“t_onoff”。針對CmdWashing接口定義了以下信息: (1)CmdWashing接口由WiperWasherManager構(gòu)件提供,其數(shù)據(jù)內(nèi)容為FrontWasher構(gòu)件的Activation接口所使用。 這里以車身/舒適系統(tǒng)的雨刷管理的軟件構(gòu)件的接口定義為示例。AUTOSAR按照功能邏輯分別將這些領(lǐng)域的系統(tǒng)劃分成若干個模塊,這些模塊可被視為一個軟件構(gòu)件或多個軟件構(gòu)件的組合,這些功能性的軟件構(gòu)件的接口被明確定義,所定義的接口的內(nèi)容包括名稱,含義,范圍,數(shù)據(jù)類型,通信類型,單位等。 AUTOSAR標準接口通過RTE實現(xiàn)AUTOSAR軟件構(gòu)件(即應(yīng)用程序)相互間的通信以及軟件構(gòu)件與基礎(chǔ)軟件之間的通信的前提是,軟件構(gòu)件必須具有標準的AUTOSAR接口。軟件構(gòu)件本身對于這種區(qū)別并不關(guān)注,因此我們可以在獨立的情況下開發(fā)軟件構(gòu)件。虛擬功能總線(Virtual Functional Bus)將AUTOSAR軟件構(gòu)件相互間的通信以及軟件構(gòu)件與基礎(chǔ)軟件之間的通信進行了抽象,同時使用預(yù)先定義的標準接口。最后一步是生成具體ECU的可執(zhí)行程序,此步將根據(jù)ECU 配置描述文件中的配置信息構(gòu)建完成ECU的基礎(chǔ)軟件的設(shè)置和與基于AUTOSAR構(gòu)件的應(yīng)用軟件的集成,最終生成ECU的可執(zhí)行代碼。然后進入ECU配置的實際工作中,這一步負責(zé)往輸入對象中添加具體應(yīng)用所必需的信息,如任務(wù)調(diào)度、必要的BSW模塊、BSW配置信息、給任務(wù)分配的可運行實體等。首先是使用第一個階段的工作成果——系統(tǒng)配置描述文件,從中提取出與各個ECU相關(guān)的系統(tǒng)配置描述信息,提取的信息包括ECU通信矩陣、拓撲結(jié)構(gòu)、頂級功能組合(據(jù)此產(chǎn)生需映射到該ECU上的所有軟件構(gòu)件),將放在另一個XML文件中。該文件將包含所有的系統(tǒng)信息,包括將軟件構(gòu)件映射到相關(guān)的ECU上(這種映射需要考慮到構(gòu)件的需要、構(gòu)件的連接、資源需求以及約束條件,有時也需要考慮成本等方面的因素),以及通信矩陣(整車的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、時序以及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀的內(nèi)容)。 系統(tǒng)配置輸入包含三部分內(nèi)容,第一個輸入是軟件構(gòu)件描述,定義每個需要的軟件構(gòu)件的接口內(nèi)容,包括數(shù)據(jù)類型,端口,接口等;第二個輸入是ECU資源描述,定義了每個ECU的資源需求,如處理器、外部設(shè)備、存儲器、傳感器和執(zhí)行器等;第三個輸入是系統(tǒng)約束描述,定義總線信號,拓撲結(jié)構(gòu)和軟件構(gòu)件的映射關(guān)系。應(yīng)用軟件的描述術(shù)語在AOTUSAR中為軟件構(gòu)件(Software Components),該文件將確定需要使用的軟件構(gòu)件(即系統(tǒng)具有哪些功能)和硬件資源(ECU),以及整個系統(tǒng)的約束條件。 圖 AUTOSAR系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)流程主要步驟可劃分兩個階段: 第一個階段是系統(tǒng)配置階段,這屬于系統(tǒng)級設(shè)計決策工作。汽車OEM作為整車系統(tǒng)功能的規(guī)劃和設(shè)計者,需要了解并掌握AUTOSAR提供的這套開發(fā)流程,才能主導(dǎo)和推進符合AUTOSAR標準的系統(tǒng)的開發(fā)過程。RTE層之下的基礎(chǔ)軟件對于應(yīng)用層來說是不可見的,必須通過RTE進入,它將軟件構(gòu)件從對底層軟件和硬件平臺的依賴中獨立出來,實現(xiàn)了應(yīng)用程序和基礎(chǔ)軟件之間的分隔。(3)微控制器抽象層,包括微控制器相關(guān)的驅(qū)動(如I/O驅(qū)動、ADC驅(qū)動等)。 (2)ECU抽象層,對 ECU(如外設(shè)與ECU的連接方式等)進行抽象處理。 (1)服務(wù)層,為應(yīng)用層提供診斷協(xié)議、存儲管理、ECU模式管理和操作系統(tǒng)等系統(tǒng)服務(wù)?;A(chǔ)軟件組件(BSW)分為下面幾個層次:服務(wù)層(Services Layer)、ECU抽象層(ECU Abstraction Layer)和微控制器抽象層(Microcontroller Abstraction Layer)。 AUTOSAR標準軟件構(gòu)架AUTOSAR的目標是實現(xiàn)應(yīng)用程序和基礎(chǔ)軟件模塊之間的分離,因此汽車電子軟件架構(gòu)被抽象成幾個層。盡管如此,標準化的汽車電子軟件開發(fā)方法和軟件架構(gòu)是汽車行業(yè)未來不可阻擋的發(fā)展趨勢,而且目前還沒有哪種標準比AUTOSAR標準走的更遠。AUTOSAR倡導(dǎo)的原則是“在標準上合作,在實現(xiàn)上競爭”,其核心思想在于“統(tǒng)一標準、分散實現(xiàn)、集中配置”,所以采用AUTOSAR將為OEM帶來發(fā)展機遇,隨著汽車電子軟件的標準化和開放化,更多的供應(yīng)商可以進入到汽車電子行業(yè)中來, 這將使得OEM可以更加靈活的進行軟件采購,有更多的選擇,同時軟件的質(zhì)量監(jiān)督也會相應(yīng)提高,有利于提高汽車電子軟件的產(chǎn)品質(zhì)量。例如在寶馬7系量產(chǎn)車型中,已經(jīng)開發(fā)了符合AUTOSAR標準的ECU,預(yù)計在2011年AUTOSAR的所有核心成員都將開發(fā)出相關(guān)的產(chǎn)品。AUTOSAR定義了一套支持分布式的、功能驅(qū)動的汽車電子軟件開發(fā)方法,提出了軟件架構(gòu)標準化方案,加強不同平臺之間的軟件復(fù)用,從而降低開發(fā)成本。 AUTOSAR標準AUTOSAR(AUTomotive Open Systems ARchitecture)汽車開放系統(tǒng)架構(gòu),是由多家汽車整車廠商和供應(yīng)商在2003年夏天成立的汽車電子軟件開發(fā)全球合作聯(lián)盟,其目的就在于降低汽車軟件的復(fù)雜性和多樣性,提高軟件復(fù)用。那么運行在電子控制單元上的軟件也屬于嵌入式軟件軟件。這些電子控制單元大多是由資源有限,計算能力很小的處理器組成。并且自從嵌入式計算機被引入到汽車中,汽車功能迅速增加,軟件的復(fù)雜性也迅速提升。偶爾執(zhí)行超期或失敗的事務(wù)一般不會對系統(tǒng)造成致命影響,這類事務(wù)稱為軟實時事務(wù)。(2)從任務(wù)或事物的關(guān)鍵程度可以將其分為:硬實時事務(wù),軟實時事務(wù)。同時又由于子系統(tǒng)的處理器是單核的,因此在同一時間內(nèi)需要處理很多的任務(wù),這就需要任務(wù)的調(diào)度。例如,從傳感器讀取數(shù)據(jù)的任務(wù)隨著系統(tǒng)的運行,不斷的讀取環(huán)境參數(shù),傳遞給其它任務(wù)處理。因此,任務(wù)執(zhí)行超期以后,任務(wù)所操作的數(shù)據(jù)就不是可信的,汽車控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)也是具有時間限制的特點。(2)資源消耗最小化:車輛控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)管理機制應(yīng)該盡可能的高效,體現(xiàn)在內(nèi)存需求量和CPU使用率上。因此需要一種統(tǒng)一的、高效的方式存儲和管理數(shù)據(jù),嵌入式實時數(shù)據(jù)庫可以滿足系統(tǒng)的實際要求。一些共享的數(shù)據(jù)元素被不同的應(yīng)用程序單獨處理,導(dǎo)致軟件在開發(fā)和維護中出現(xiàn)了很多問題,對汽車的安全,舒適性造成了影響。 汽車控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理特性分析隨著微電子硬件的價格大幅下降、硬件性能的顯著提升和國家對汽車的安全、環(huán)保規(guī)范的日益嚴格使得汽車中所使用的電子控制單元日益增多,甚至已達到近百個,并且汽車功能的復(fù)雜性也大大增加了,這使得軟件開發(fā)和維護日益困難。汽車上常用的ECU包括8位機(Intel MCS8048,MCS8049,MCS8032;Motorola的MC68HCII),16位機(Intel的MCS8097,Motorola的MC68HC12,MC68HC16),最近GM公司在Buick車上已采用32位機(Motorola 68332,它有512K ROM,14K RAM)。}}圖 共享變量的I/O任務(wù)汽車控制系統(tǒng),除了是實時系統(tǒng),還是嵌入式系統(tǒng)。7 signal(engine_semaphore)。5 wait(engine_semaphore)。...//End global data1 TASK OilTempReader(void){2 int s。struct engine_t engine。int waterTemperature。int oilTemperature。在一些關(guān)鍵領(lǐng)域,如自動駕駛、防抱死剎車系統(tǒng)等,離線調(diào)度比在線調(diào)度安全。在系統(tǒng)運行時,運行時刻表不再變化,調(diào)度器根據(jù)這張時刻表啟動相應(yīng)的任務(wù),調(diào)度被循環(huán)執(zhí)行,因此系統(tǒng)是周期性的。大部分的實時系統(tǒng),包括汽車控制系統(tǒng)中對任務(wù)的調(diào)度往往是離線調(diào)度和周期性調(diào)度。事務(wù)超過截止期,很少能影響系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量。很多汽車控制系統(tǒng)的功能有硬實時的需求。 給定了一個端到端的截止期,就是說程序執(zhí)行結(jié)果必須在規(guī)定的時間內(nèi)產(chǎn)生。從輸入到輸出的延遲時間必須足夠小,在可接受的時效性之內(nèi)。延遲時間必須在截止日期內(nèi)才是可以接受的,否則不能保證計算結(jié)果執(zhí)行的正確性。實時系統(tǒng)考慮數(shù)據(jù)及其處理相關(guān)聯(lián)的定時限制,也就是任務(wù)中的數(shù)據(jù)只是在一定的時間內(nèi)有效。 展示了一個例子:I/O任務(wù)負責(zé)讀溫度傳感器的值,然后將它寫到一個共享變量中,共享變量通過一個信號量保證它的完整性,例如,在更新時不能被執(zhí)行讀操作。圖 展示了幾個任務(wù)一起執(zhí)行一個控制功能。(2)控制任務(wù):用來執(zhí)行控制決策。車輛控制系統(tǒng)中典型的任務(wù)包括:I/O任務(wù)、控制任務(wù)、管理任務(wù)等。OSEK/VDX為控制單元應(yīng)用程序提供統(tǒng)一的通信環(huán)境,應(yīng)用程序可以通過它與不論是否在同一個ECU上的應(yīng)用程序傳遞消息,例如通過CAN, FlexRay[43]總線。例如,車速超過24KM/H,車門自動落鎖,就涉及到動力(速度參數(shù)來自于動力系統(tǒng))和車身兩個子系統(tǒng)。典型的汽車控制系統(tǒng)是由一系列的車載計算機構(gòu)成的節(jié)點組成。 汽車控制系統(tǒng)在最近三十年中,汽車的控制系統(tǒng)已經(jīng)從簡單的單處理器系統(tǒng)變成了復(fù)雜的分布式系統(tǒng),現(xiàn)在汽車的很多功能都是由車載計算機控制系統(tǒng)實現(xiàn)的。第五章,研究虛實結(jié)合的汽車電子實驗環(huán)境,通過PC機模擬汽車物理部件或者模擬ECU,通過串口將虛擬部件連接到轉(zhuǎn)換芯片上面,形成虛擬的車身電子網(wǎng)絡(luò), 將VDMS應(yīng)用在安全氣囊系統(tǒng)中,分析系統(tǒng)的性能。第四章,研究如何將VDMS整合到AUTOSAR環(huán)境中,兼容AUTOSAR的特性,給出VDMS的系統(tǒng)模型。 第三章,介紹如何按照組件技術(shù),將RTDBMS按照功能進行分解形成組件庫,形成一個可剪裁的RTDBMS。第二章,介紹汽車控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理的背景知識,對汽車控制系統(tǒng)的特點進行了分析,描述了汽車控制系統(tǒng)中數(shù)據(jù)管理的特性。通過PC機模擬汽車物理部件或者模擬ECU,通過串口將虛擬部件連接到轉(zhuǎn)換芯片上面,形成虛擬的車身電子網(wǎng)絡(luò), 將VDMS模塊應(yīng)用在在安全氣囊控制系統(tǒng)中。(2) 研究如何將基于組件的可配置的VDMS整合到AUTOSAR環(huán)境中,按照AUTOSAR標準體系框架,定義VDMS軟件組件以及描述文件,設(shè)計VDMS在AUTOSAR環(huán)境中的結(jié)構(gòu)模型。本文提出一種基于組件的混合式汽車控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)模型(VDMS),然后按照AUTOSAR標準軟件層次構(gòu)架,AUTOSAR方法論以及標準接口,研究如何將VDMS整合到AUTOSAR環(huán)境中,實現(xiàn)對系統(tǒng)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理,兼容AUTOSAR的標準。AUTOSAR將汽車電子軟件架構(gòu)分成若干層和模塊,為各個模塊提供標準的接口定義,同時AUTOSAR定義了軟件組件開發(fā)標準,以及易于交換的硬件平臺標準。目前對于汽車控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理技術(shù)的研究,仍然沒有形成一個統(tǒng)一有效的數(shù)據(jù)管理的標準,隨著汽車功能越來越復(fù)雜,系統(tǒng)分布式異構(gòu)的硬件環(huán)境,系統(tǒng)開發(fā)和維護代價極大。CBSE也支持維護性,基本原理是軟件應(yīng)用都是由組件構(gòu)成。本文針對汽車控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)進行了研究。 論文的工作綜上所述,汽車控制系統(tǒng)是一個嵌入式實時的異構(gòu)系統(tǒng),通過對汽車控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理的需求進行分析發(fā)現(xiàn),通用的數(shù)據(jù)管理的方法不適合汽車控制系統(tǒng)嵌入式實時的特性。組件規(guī)范及組成,提供了組件模型,其中包括了安全性組件和支持協(xié)助部分的基礎(chǔ)設(shè)施的基本特征,技術(shù)分析和驗證功能的正確性,實時性,安全性和可靠性,運行時的配置支持,包括系統(tǒng)內(nèi)裝配的支持、監(jiān)測時間和可替換配件的評估。通過與2PLHP算法進行性能比較,得出2VDBP與2VDBP SNAP能夠更好的提高系統(tǒng)性能,降低事務(wù)沖突和響應(yīng)時間。將數(shù)據(jù)庫指針整合到一個數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中去,而不會破壞數(shù)據(jù)庫的完整性。它提供的數(shù)據(jù)訪問接口類似于指針操作,非常適合于控制系統(tǒng)中的一些數(shù)據(jù)進行高頻訪問的操作。文獻[12]中針對實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)硬事務(wù)和軟事務(wù)的要求,提出了數(shù)據(jù)庫指針(Database Pointer)的概念,它可以很好的提高事務(wù)的處理效率。按照配置工具集,針對不同的電子控制單元對數(shù)據(jù)管理的不同需求,選擇不同的組件形成不同配置的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。按照CBSD的方法,組件封裝不同的數(shù)據(jù)庫功能,按照AOSD對軟件系統(tǒng)中多種關(guān)注點進行獨立描述,比如并發(fā)控制,日志,和系統(tǒng)恢復(fù)等功能,他們的實現(xiàn)必須分散到系統(tǒng)中其他的組件中,稱為橫切關(guān)注點,對橫切關(guān)注點進行封裝、管理,形成方面包。文獻[10]介紹了一個可配置的實時數(shù)據(jù)庫平臺——COMET,由瑞典的馬拉達倫大學(xué)和林雪平大學(xué)通過與沃爾沃汽車公司聯(lián)合開發(fā)的。針對現(xiàn)有的應(yīng)用軟件分離出以數(shù)據(jù)為中心的任務(wù),并在此基礎(chǔ)上抽象并提出了數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的模型。由于嵌入式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)常常需要對外界環(huán)境作出實時反應(yīng),比如在汽車控制系統(tǒng)中,系統(tǒng)必須同時具備實時性、主動性和嵌入式的特點,所以需要開發(fā)一種適合這種嵌入式實時環(huán)境的嵌入式實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。系統(tǒng)性能指標只定時限制事務(wù)的完成率,它可以犧牲數(shù)據(jù)的準確性與一致性以保證硬實時事務(wù)能夠在截止期前能夠完成。實時數(shù)據(jù)庫是指事務(wù)和數(shù)據(jù)都定時限制,系統(tǒng)的正確性不僅要滿足事務(wù)執(zhí)行的邏輯結(jié)果,又要滿足時間約束[7]。嵌入式數(shù)據(jù)庫在嵌入式系統(tǒng)中越來越常見,主要是用于存儲和處理所在設(shè)備和其他地方的數(shù)據(jù),可以訪問監(jiān)視器、進行系統(tǒng)診斷以及其他工作。AUTOSAR標準的目的是為軟件開發(fā)流程通過通過工具提供通用的支持,使得開發(fā)人員可以在對硬件一無所知的情況下進行應(yīng)用軟件的開發(fā),并將這個軟件應(yīng)用在任何符合AUTOSAR標準的ECU中,實現(xiàn)應(yīng)用程序重用[49]。AUTOSAR (AU TOmotive Open System Architecture:汽車開放系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu))標準,降低了ECU軟件開發(fā)的復(fù)雜度,提高了軟件
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